基于單片機(jī)的循跡避障小車的設(shè)計(jì)

李佳楠 賈婷 張婷婷 沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院

整個系統(tǒng)基于玩具小車的機(jī)械結(jié)構(gòu),并利用了小車的底盤、轉(zhuǎn)向控制電機(jī)、行駛狀態(tài)控制電機(jī),能夠平穩(wěn)跟蹤路面黑色軌跡運(yùn)行，并能實(shí)時的根據(jù)小車的行駛情況對小車的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，此部分通過專業(yè)的電機(jī)驅(qū)動芯片L298N控制。

小車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。以STC89C52單片機(jī)為控制核心,主要由電源模塊、尋跡檢測模塊、紅外對射測速模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、數(shù)碼管顯示模塊等功能模塊組成。首先利用光電傳感器對路面信號進(jìn)行檢測,經(jīng)過比較器處理后,送給單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時控制,單片機(jī)輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動,從而控制整個小車的運(yùn)動。與此同時，紅外對射管傳感器開始對小車的行駛速度進(jìn)行檢測，并通過程序算法將小車的行駛速度與行駛距離實(shí)時的顯示在數(shù)碼管上。

由于小車在設(shè)計(jì)過程中，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，所以在進(jìn)行調(diào)試時非常方便。可以分別對每一個功能部分來進(jìn)行調(diào)試，驅(qū)動部分調(diào)試時，只要給電機(jī)向前或者向后的信號，就可以調(diào)試出其功能。循跡部分調(diào)試時，只要通過檢測到黑線，判斷是否沿黑線行駛，即可以調(diào)試出。在進(jìn)行避障調(diào)試中，可以把障礙物放在小車前方，然后看小車兩個輪子的轉(zhuǎn)向。這種模塊化的設(shè)計(jì)思想不僅簡化了設(shè)計(jì)過程，而且對以后的設(shè)計(jì)也會有一定啟發(fā)。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、電機(jī)驅(qū)動子程序、中斷子程序、顯示子程序、調(diào)速子程序等構(gòu)成。主要功能是負(fù)責(zé)對傳感器信號的采集和控制，電機(jī)前進(jìn)后退，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的速度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)小車的靈活避障，以及對單片機(jī)的初始化編程等工作。

小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號，即進(jìn)入判斷處理程序,先確定探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面第一級傳感器或者左面第二級傳感器探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級傳感器或右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作。由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉(zhuǎn)向力度大于第一級。

為保證小車能正常行駛，循跡部分的黑線寬度應(yīng)在3.5至4cm。避障軌道的寬度應(yīng)大于20cm小于25cm。

在小車各個部分的電路焊接完成后，就開始對小車進(jìn)行整體組裝。利用購買的高強(qiáng)度塑料制成的模型作為小車的車體，然后分別將各模塊按照功能安裝固定好。紅外循跡模塊固定在車體底部，因?yàn)槠渥饔檬莵頇z測地面黑線存在，而且其工作距離也有一定限制，所以不能放在離地面太高的地方。超聲波探測模塊則應(yīng)該置于小車正前方，其目的主要是用來發(fā)現(xiàn)前方障礙物，其安裝高度要合適。對于驅(qū)動模塊和最小單片機(jī)系統(tǒng)，安裝在小車正中間，因?yàn)槠湟c各模塊之間進(jìn)行連接。供電電源則放在小車車尾，這樣有利于小車整體重量的均勻分布，也可以在進(jìn)行充電時，更加方便拆裝。

小車的左右轉(zhuǎn)彎進(jìn)行調(diào)試時，可以在程序里給定每個電機(jī)引腳信號，看小車的轉(zhuǎn)動是否滿足所設(shè)定的方向。通過調(diào)試可知，小車的運(yùn)動方向與初始設(shè)置相同，能夠?qū)崿F(xiàn)。

通過對小車的各項(xiàng)功能進(jìn)行測試，可以發(fā)現(xiàn)，在合適的工作條件下，小車基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，本設(shè)計(jì)完成了預(yù)先的設(shè)計(jì)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了所有功能。小車可以進(jìn)行循跡功能，檢測到黑線以后，會沿著黑線進(jìn)行行進(jìn)。可以進(jìn)行避障功能，在檢測到障礙物以后，小車會原地旋轉(zhuǎn)180度進(jìn)行避障處理，然后繼續(xù)行駛。

整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）自動沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動檢測預(yù)先設(shè)好的軌道循跡，若有偏離，能夠自動糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。

（2）通過安裝在主板上的數(shù)碼管能夠?qū)崟r顯示小車當(dāng)前行駛速度與行駛距離。

從運(yùn)行情況來看循跡的效果比較好，顯示的效果不是很好，認(rèn)為是由于軟件部分的原因。另外就是小車的速度不好控制，雖然采用了專業(yè)的電機(jī)控制芯片，但pwm調(diào)速有待完善，這也是這次設(shè)計(jì)的誤區(qū)。相信如果實(shí)驗(yàn)條件和時間的允許下肯定能解決這一問題。

測試結(jié)果表明：本組智能小車能很好的完成了循跡和避障功能，循跡跑道是由黑色膠布在白色地面上拉線完成，小車可以從O型跑道的任何段為起點(diǎn)，跑完全程。避障跑到是通過擺放障礙物，小車可以走出障礙區(qū)間。